VPGTrans：10% 的成本定制你自己的类 GPT-4 多模态对话模型

最近的多模态（对话）大模型将基于文本的ChatGPT的强大能力扩展到了多模态输入，实现强大的多模态语义理解，比如最近的GPT4、BLIP-2、Flamingo等。但咱们普通玩家训练一个多模态GPT代价非常昂贵。本工作提出一个VPGTrans框架，帮助小伙伴们实现极低成本训练一个高性能多模态大模型。

作者丨张傲，费豪，姚远，吉炜，黎力，刘知远，Chua Tat-Seng

单位丨新加坡国立大学，清华大学

多模态对话模型Demo：https://vpgtrans.github.io/

论文：https://arxiv.org/pdf/2305.01278.pdf

代码：https://github.com/VPGTrans/VPGTrans

工作亮点摘要

1. 极低训练成本: 通过我们提出的VPGTrans方法，可以快速(少于10%训练时间)将已有的多模态对话模型的视觉模块迁移到新的语言模型，且达到类似或更优效果。比如，相比于从头训练视觉模块，我们可以将BLIP-2 FlanT5-XXL的训练开销从19000+人民币缩减到不到1000元:

图 1：基于我们的VPGTrans方法的BLIP-2训练开销缩减对比

2. 多模态大模型定制:通过我们的VPGTrans框架可以根据需求为各种新的大语言模型灵活添加视觉模块。比如我们在LLaMA-7B和Vicuna-7B基础上制作了VL-LLaMA和VL-Vicuna。

3. 开源多模态对话模型: 我们开源了VL-Vicuna，类GPT4多模态对话模型，可实现高质量的多模态对话：

图 ２：VL-Vicuna的交互实例

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动机介绍

1.1 背景

2023年是AI元年，以ChatGPT为代表的大语言模型(LLM)大火。LLM除了在自然语言领域显示出巨大的潜力之外，也开始逐渐辐射到其他相关领域。比如，LLM在多模态理解领域掀起了一股从传统预训练视觉语言模型(VLM)到基于大语言模型的视觉语言模型(VL-LLM)的变革。通过为LLM接入视觉模块，VL-LLM可以继承已有LLM的知识，零样本泛化能力，推理能力和规划能力等。相关模型有BLIP-2[1],Flamingo[2],PALM-E等。

图 3：常用的VL-LLM架构

现有的常用的VL-LLM基本采取图3所示的架构：在一个基座LLM基础上训练一个视觉soft prompt生成模块(Visual Prompt Generator, VPG)，以及一个进行维度变换的线性层(Projector)。在参数规模上，LLM一般占主要部分(比如11B)，VPG占次要部分(比如1.2B)，Projector最小(4M)。在训练过程中，LLM参数一般不会被更新，或者仅仅更新非常少量的参数。可训练参数主要来自于VPG和projector。

1.2 动机

实际上，即便基座LLM的参数冻结不训，但由于LLM的大参数量，训练一个VL-LLM的关键开销依然在于加载基座LLM。因此训练一个VL-LLM依然无法避免极大的计算代价。比如，要得到BLIP-2（基座LLM为FlanT5-XXL）需要付出超过600个小时的A100训练时长。如果租用亚马逊的A100-40G机器，大概需要将近2万元人民币的费用。既然从零训练一个VPG代价如此昂贵，那么我们开始思考能否把一个已有的VPG迁移到新的LLM上来节省开销。

图 4：VPG迁移: 跨LLM大小迁移和跨LLM类型迁移

如图4所示，我们主要探索了两种类型的VPG的迁移:

跨LLM大小迁移 (TaS): 比如从OPT-2.7B到OPT-6.7B。

跨LLM类型迁移 (TaT): 比如从OPT到FlanT5

其中TaS的意义在于:在LLM相关科研中，我们通常需要在小LLM上调参，再扩展到大LLM。有了TaS，我们可以在调参之后，把小LLM上已经训好的VPG直接迁移到大LLM上。TaT的意义在于:不同功能种类的LLM层出不穷，比如今天有了LLaMA，明天又有了Alpaca和Vicuna。TaT可以让我们利用已有的VPG快速为新语言模型添加视觉感知能力。

1.3 贡献

(1) 提出高效的方法: 我们首先通过一系列的探究实验，探究了影响VPG迁移效率的关键因素。根据探索实验发现，我们提出了一个两阶段的高效迁移框架VPGTrans。该框架可以大幅度缩减训练VL-LLM所需的计算开销和需要的训练数据。比如，相比于从头训练，我们通过BLIP-2 OPT-2.7B到6.7B的VPG迁移，可以仅用大约10%的数据和计算时间就达成各个数据集相似或更好的效果(图1)。训练花销从17901人民币到1673元。

(2) 得到有趣的发现: 我们同时提供了TaS和TaT场景下一些有趣的发现，并尝试给出解释: a) TaS场景下，使用VPGTrans从小到大迁移不会影响最终模型效果。b) TaS场景下，越小的语言模型上训练的VPG，迁移到大模型时效率越高，最终效果越好。c) TaT场景下，越小的模型之间迁移的gap越大。在我们验证实验中，OPT350M和FlanT5-base使用VPGTrans互相迁移几乎和从头训练一样慢。

(3) 实现社区回馈: 我们使用VPGTrans得到了两个新的VL-LLMs: VL-LLaMA和VL-Vicuna，并开源在了社区上。其中VL-Vicuna实现了类GPT4的高质量的多模态对话。欢迎小伙伴尝试：https://vpgtrans.github.io/.

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高效率的VPG迁移方案: VPGTrans

首先我们进行一系列的探索验证实验，分析如何最大化对于VPG的迁移效率。接着我们基于这些重要观察提出一个解决方案。

2.1 探究实验

我们选取BLIP-2架构作为我们的基础模型，预训练语料采用COCO和SBU，总共1.4M图文对。下游任务采用COCO Caption, NoCaps, VQAv2, GQA和OK-VQA的zero-shot设定进行评测(对caption任务并非严格zero-shot)。下面是我们的关键发现:

1.直接继承一个训练好的VPG可以加速收敛,但效果有限：我们发现，直接迁移一个LLM上训练好的VPG到大LLM可以加速模型收敛，但加速效果有限，且收敛后模型效果相比于从头训练VPG会掉点(图5的VQAv2、GQA蓝线最高点均低于橘线)。我们猜测，这个掉点是由于随机初始化的projector会在训练起始阶段损伤VPG中已有的视觉感知能力。

图 5：VPG inherit (蓝线): 直接继承训练好的VPG。train from scratch (橘线):从头训练VPG。only linear (绿线):只训练linear projector不训练VPG。

2.先warm-up训练projector可以防止掉点，且进一步加速收敛：于是，我们固定住VPG和LLM，先warm-up训练projector 3个epoch，再解冻VPG进行下一步训练。我们发现，这样不仅仅可以避免掉点情况，还能够进一步加速VPG收敛(图6)。但值得强调的是，由于训练的主要开销在LLM(参数巨多)，仅仅训练projector的开销不会比同时训练VPG和projector的开销小太多。所以，我们开始探究加速projector warm-up的关键技术。

图6:先warm-up训练projector可以防止掉点+加速收敛

3.词向量转化器初始化可以加速projector warm-up：首先，VPG是通过把图像转化为LLM可以理解的soft prompt来产生效果的。而soft prompt的使用方式和词向量其实是非常相似的，都是直接输入语言模型来提示模型产生对应内容。所以，我们使用词向量来作为soft prompt的一个代理，训练了一个到的词向量转化器(一个线性层)。然后，我们将词向量转化器和上的projector融合作为projector的初始化。通过这个初始化，我们可以将projector的warm-up训练由3个epoch减为2个epoch。

4.projector可以在超大学习率下快速收敛：我们进一步实验发现，projector由于其参数量较少，可以使用5倍的正常学习率进行训练而不崩溃。通过5倍学习率的训练，projector warm-up可以进一步被缩短到１个epoch。

5.一个附加发现: 虽然projector warm-up很重要，但仅训练projector是不够的。尤其在caption任务上面，仅仅训练projector的效果要比同时训练VPG的效果差一截 (图5绿线在COCO Caption和NoCaps均远低于蓝线)。这也就意味着，仅仅训练projector会导致欠拟合，也就是无法充分对齐到训练数据。

2.2 我们所提出的方法

图 7：VPGTrans框架: (1) 一阶段:projector的warm-up (2) 二阶段: 整体微调

如图7所示，我们的方法共分为两个阶段：

(1)第一阶段: 我们首先使用词向量转化器和原有projector进行融合作为新projector的初始化，然后用5倍学习率训练新projector一个epoch。

(2) 第二阶段:直接正常训练VPG和projector。

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实验结果

3.1 加速比

表1：我们的VPGTrans的相比于从头训练在各个数据集的加速比

如表1所示，我们测试了不同迁移类型下，VPGTrans在不同数据集上的加速比。VPGTrans在某指定数据集A上的加速比是通过从头训练达到A上最佳效果a的轮数除以VPGTrans在A上效果超过a的最小训练轮数得到。比如，从头在OPT-2.7B上训练VPG，在COCO caption达到最佳效果需要10个epoch，但从OPT-125M迁移VPG到OPT-2.7B，仅需1个epoch就能达到该最佳效果。则加速比为10/1=10倍。我们可以看到，无论是在TaS还是在TaT场景下，我们的VPGTrans都可以实现稳定的加速。

3.2 有趣的发现

我们选取了一个比较有趣的发现进行了说明，其他更多更有意思的发现请参照我们的论文。

TaS场景下，越小的语言模型上训练的VPG，迁移起来效率越高，最后模型效果越好。参考表1，我们可以发现OPT-1.3B到OPT-2.7B的加速比要远小于OPT-125M、OPT-350M到OPT-2.7b的加速比。我们尝试提供了一个解释：一般越大的语言模型，由于其文本空间的维度更高，会更容易损害VPG(VPG一般都是类似于CLIP的预训练模型)本身的视觉感知能力。我们通过类似于linear probing的方式进行了验证：

图 ８：仅训练linear projector层的跨LLM大小迁移 (模拟linear probing)

如图8所示，我们进行了OPT-125M,350M,1.3B,2.7B之间的跨LLM大小的迁移。在实验中，为了公平对比不同模型大小下训练过的VPG的视觉感知能力，我们固定住VPG的参数仅仅训练linear projector层。我们选取了COCO Caption上的SPICE指标作为视觉感知能力的衡量手段。不难发现，对于每一个给定的，几乎都符合越小，最终SPICE越高的一个现象。

3.3 大规模实验

前文实验主要是在小规模场景下验证猜想。为了证明我们的方法的有效性，我们模拟BLIP-2的预训练过程进行了大规模实验：

表2：真实场景下的大规模实验结果

如表2所示，我们的VPGTrans在大规模场景下依然有效。通过OPT-2.7B到OPT-6.7B的迁移，我们仅用10.8%的数据和不到10%的训练时长达到了相似或更优的效果。尤其是，我们的方法在BLIP-2 以FlanT5XXL为基座LLM下实现了4%的训练成本控制。

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定制您的VL-LLMs

我们的VPGTrans可以快速为任意新的LLMs添加视觉感知模块，从而得到一个全新的高质量VL-LLM。在本工作，我们额外训练了一个VL-LLaMA和一个VL-Vicuna。其中VL-LLaMA的效果如下:

表３：VL-LLaMA的效果展示

同时，我们的VL-Vicuna可以进行类GPT4的多模态对话。我们和MiniGPT-4进行了简单的比较:

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总结

在这项工作中，我们对 VPG 在 LLM 之间的可迁移性问题进行了全面调查。我们首先探讨了最大化迁移效率的关键因素。基于关键观察，我们提出了一种新颖的两阶段迁移框架，即 VPGTrans。它可以在显著降低训练成本的同时，实现相当或更好的性能。

通过 VPGTrans，我们实现了从 BLIP-2 OPT 2.7B 到 BLIP-2 OPT 6.7B 的 VPG 迁移。相较于从零开始连接 VPG 到 OPT 6.7B，VPGTrans仅需10.7%训练数据和不到10%的训练时长。此外，我们展示并讨论了一系列有趣发现及其背后的可能原因。最后，我们通过训练VL-LLaMA和LL-Vicuna，展示了我们的 VPGTrans 在定制新的 VL-LLM 方面的实际价值。